3. programacion concurrente

3. PROGRAMACION CONCURRENTE
INTRODUCCION
Actualmente observamos que el paradigma orientado a objetos, solo podemos ejecutar un equipo
a la vez como máximo en cambio con la introducción de las hebras concurrentes(programación
concurrente) o procesos es posible que cada objeto se ejecute simultáneamente, esperando
mensajes y respondiendo adecuadamente. Como siempre la principal razón para la investigación
de la programación concurrente es que nos ofrece una manera diferente de conceptualizar la
solución de un problema, una segunda razón es la de aprovechar el paralelismo del hardware
subyacente para lograr una aceleración significativa.
Para entender mejor este detalle un buen ejemplo de un programa concurrente es el navegador
Web de modem. Un ejemplo de concurrencia en un navegador Web se produce cuando e
navegador empieza a presentar una página aunque puede estar aun descargando varios archivos
de gráficos o de imágenes. La página que estamos presentando es un recurso compartido que
deben gestionar cooperativamente las diversas hebras involucradas en la descarga de todos los
aspectos de una página. Las diversas hebras no pueden escribir todas en la pantalla
simultáneamente, especialmente si la imagen o grafico descargado provoca el cambio de tamaño
del espacio asignado a la visualización de la imagen, afectando así la distribución del texto.
Mientras hacemos todo esto hay varios botones que siguen activos sobre los que podemos hacer
click particularmente el boton stop como una suerte de conclusión se observa en este paper
que las hebras operan para llevar a cabo una tarea como la del ejemplo anterior así mismo se
vera que los procesos deben tener acceso exclusivo aun recurso compartido como por ejemplo la
visualización para evitar interferir unas con otras.
CONCEPTOS:
Ø PROGRAMA SECUENCIAL: Es aquel que especifica la ejecución de una secuencia
de instrucciones que comprenden el programa.
Ø PROCESO: Es un programa en ejecución, tiene su propio estado independiente del estado de
cualquier otro programa incluidos los del sistema operativo. Va acompañado de recursos como
archivos, memoria, etc.
Ø PROGRAMA CONCURRENTE: Es un programa diseñado para tener 2 o mas
contextos de ejecución decimos que este tipo de programa es multihenbrado, porque tiene mas
de un contexto de ejecución.
Ø PROGRAMA PARALELO: Es un programa concurrente en el que hay mas de un contexto de
ejecución o hebra activo simultáneamente; desde un punto de vista semántica no hay diferencia
entre un programa paralelo y concurrente.
Ø PROGRAMA DISTRIBUIDO: Es un sistema diseñado para ejecutarse simultáneamente en
una red de procesadores autónomos, que no comparten la memoria principal, con cada programa
en su procesador aparte.
En un sistema operativo de multiprocesos el mismo programa lo pueden ejecutar múltiples
procesos cada uno de ellos dando como resultado su propio estado o contexto de ejecución
separado de los demás procesos. Ejm:
En la edición de documentos o arhivos de un programa en cada instancia del editor se llama de
manera separada y se ejecuta en su propia ventana estos es claramente diferente de un programa
multienhebrado en el que alguno de los datos residen simultáneamente en cada contexto de
ejecución:
FUNDAMENTOS DE LA PROGRAMACIÓN CONCURRENTE
Concurrencia: Es un termino genérico utilizado para indicar un programa único en el que
puede haber mas de un contexto de ejecución activo simultáneamente.
Comuni cación entre procesos
Introducción.Las aplicaciones informáticas pueden ser de muchos tipos desde procesadores de texto hasta
procesadores de transacciones (Base de datos), simuladores de calculo intensivo, etc.
Las aplicaciones están formadas de uno o más programas. Los programas constan de código para
la computadora donde se ejecutaran, el código es generalmente ejecutado en forma secuencial
es así que normalmente un programa hilado o hebrado tiene el potencial de incrementar el
rendimiento total de la aplicación en cuanto a productividad y tiempo de respuesta mediante
ejecución de código asíncrono o paralelo.
Estados de una hebra (PROCESO):
1. Creada: La hebra se ha creado pero aun no esta lista para ejecutarse.
2. Ejecutable o lista: La hebra esta lista para ejecutarse pero espera a conseguir un
procesador en que ejecutarse.
3. En ejecución: La hebra se esta ejecutando en un procesador.
4. Bloqueado o en espera: La hebra esta esperando tener acceso a una sección critica o
ha dejado el procesador voluntariamente.
5. Finalizada: La hebra se ha parado y no se volverá a ejecutar.
Análisis de la comunicación entre procesos
Todos los programas concurrentes, implican interacción o comunicación entre hebras. Esto
ocurre por las siguientes razones:
Ø Las hebras (incluso los procesos), compiten por un acceso exclusivo a los recursos
compartidos, como los archivos físicos: archivos o datos.
Ø Las hebras se comunican para intercambiar datos.
En ambos casos es necesario que las hebras sincronicen su ejecución para evitar conflictos
cuando adquieren los recursos, o para hacer contacto cuando intercambian datos. Una hebra
puede comunicarse con otras mediante:
Ø Variables compartidas no locales: es el mecanismo principal utilizado por JAVA y también
puede utilizarlo ADA.
Ø Paso de mensajes: es el mecanismo utilizado por ADA.
Ø Parámetro: lo utiliza ADA junto con el pasote mensajes.
Las hebras cooperan unas con otras para resolver un problema.
Exclusión mutua:
El método más sencillo de comunicación entre los procesos de un programa concurrente es el
uso común de unas variables de datos. Esta forma tan sencilla de comunicación puede llevar, no
obstante, a errores en el programa ya que el acceso concurrente puede hacer que la acción de un
proceso interfiera en las acciones de otro de una forma no adecuada. Aunque nos vamos a fijar
en variables de datos, todo lo que sigue sería válido con cualquier otro recurso del sistema que
sólo pueda ser utilizado por un proceso a la vez. Por ejemplo una variable x compartida entre
dos procesos A y B que pueden incrementar o decrementar la variable dependiendo de un
determinado suceso. Éste situación se plantea, por ejemplo, en un problema típico de la
programación concurrente conocido como el Problema de los Jardines.
En este problema se supone que se desea controlar el número de visitantes a unos jardines. La
entrada y la salida a los jardines se pueden realizar por dos puntos que disponen de puertas
giratorias. Se desea poder conocer en cualquier momento el número de visitantes a los jardines,
por lo que se dispone de un computador con conexión en cada uno de los dos puntos de entrada
que le informan cada vez que se produce una entrada o una salida. Asociamos el proceso P1 a un
punto de entrada y el proceso P2 al otro punto de entrada. Ambos procesos se ejecutan de forma
concurrente y utilizan una única variable x para llevar la cuenta del número de visitantes. El
incremento o decremento de la variable se produce cada vez que un visitante entra o sale por una
de las puertas. Así, la entrada de un visitante por una de las puertas hace que se ejecute la
instrucción x:=x+1 mientras que la salida de un visitante hace que se ejecute la instrucción x:=x-1.
Si ambas instrucciones se realizaran como una única instrucción hardware, no se plantearía
ningún problema y el programa podría funcionar siempre correctamente. Esto es así por que en
un sistema con un único procesador sólo se puede realizar una instrucción cada vez y en un
sistema multiprocesador se arbitran mecanismos que impiden que varios procesadores accedan a
la vez a una misma posición de memoria. El resultado sería que el incremento o decremento de
la variable se produciría de forma secuencial pero sin interferencia de un proceso en la
acción del otro. Sin embargo, sí se produce interferencia de un proceso en el otro si la
actualización de la variable se realiza mediante la ejecución de otras instrucciones más sencillas,
como son las usuales de:
Ø copiar el valor de x en un registro del procesador.
Ø incrementar el valor del registro
Ø almacenar el resultado en la dirección donde se guarda x
Aunque el proceso P1 y el P2 se suponen ejecutados en distintos procesadores (lo que no
tiene porque ser cierto en la realidad) ambos usan la misma posición de memoria para guardar el
valor de x.
Semáforos:
Se definieron originalmente en 1968 por dijkstra, fue presentado como un nuevo tipo de
variable. Dijkstra una solución al problema de la exclusión mutua con la introducción del
concepto de semáforo binario. Está técnica permite resolver la mayoría de los problemas de
sincronización entre procesos y forma parte del diseño de muchos sistemas operativos y de
lenguajes de programación concurrentes.
Un semáforo binario es un indicador (S) de condición que registra si un recurso está disponible o
no. Un semáforo binario sólo puede tomar dos valores: 0 y 1. Si, para un semáforo binario,
S = 1 entonces el recurso está disponible y la tarea lo puede utilizar; si S = 0 el recurso no está
disponible y el proceso debe esperar.
Los semáforos se implementan con una cola de tareas o de condición a la cual se añaden los
procesos que están en espera del recurso.
Sólo se permiten tres operaciones sobre un semáforo
Ø Inicializar
Ø Espera (wait)
Ø Señal (signal)
En algunos textos, se utilizan las notaciones P y V (DOWN y UP) para las operaciones de espera
y señal respectivamente, ya que ésta fue la notación empleada originalmente por Dijkstra para
referirse a las operaciones. Así pues, un semáforo binario se puede definir como un tipo de datos
especial que sólo puede tomar los valores 0 y 1, con una cola de tareas asociada y con sólo tres
operaciones para actuar sobre él.
Originalmente en el articulo de dijkstra, se utilizaron los nombres de P y V en lugar de down y
up, pero ahora se utiliza los últimos que fueron presentados en ALGOL 60.
Interbloqueo e Injusticia
Se dice que una hebra esta en estado de ínter bloqueo, si esta esperando un evento que no
se producirá nunca, el ínter bloqueo implica varias hebras, cada una de ellas a la espera de
recursos existentes en otras. Un ínter bloqueo puede producirse, siempre que dos o más hebras
compiten por recursos; para que existan ínter bloqueos son necesarias 4 condiciones:
Ø Las hebras deben reclamar derechos exclusivos a los recursos.
Ø Las hebras deben contener algún recurso mientras esperan otros; es decir, adquieren los
recursos poco a poco, en vez de todos a la vez.
Ø No se pueden sacar recursos de hebras que están ala espera (no hay derecho preferente).
Ø Existe una cadena circular de hebras en la que cada hebra contiene uno o mas recursos
necesarios para la siguiente hebra de la cadena
Sincronización
El uso de semáforos hace que se pueda programar fácilmente la sincronización entre dos tareas.
En este caso las operaciones espera y señal no se utilizan dentro de un mismo proceso sino que
se dan en dos procesos separados; el que ejecuta la operación de espera queda bloqueado hasta
que el otro proceso ejecuta la operación de señal.
A veces se emplea la palabra señal para denominar un semáforo que se usa para
sincronizar procesos. En este caso una señal tiene dos operaciones: espera y señal que utilizan
para sincronizarse dos procesos distintos.
Monitores
Un monitor es un conjunto de procedimientos que proporciona el acceso con exclusión mutua a
un recurso o conjunto de recursos compartidos por un grupo de procesos. Los procedimientos
van encapsulados dentro de un módulo que tiene la propiedad especial de que sólo un proceso
puede estar activo cada vez para ejecutar un procedimiento del monitor.
El monitor se puede ver como una valla alrededor del recurso (o recursos), de modo que los
procesos que quieran utilizarlo deben entrar dentro de la valla, pero en la forma que impone el
monitor. Muchos procesos pueden querer entrar en distintos instantes de tiempo, pero sólo se
permite que entre un proceso cada vez, debiéndose esperar a que salga el que está dentro antes de
que otro pueda entrar.
La ventaja para la exclusión mutua que presenta un monitor frente a los semáforos u otro
mecanismo es que ésta está implícita: la única acción que debe realizar el programador del
proceso que usa un recurso es invocar una entrada del monitor. Si el monitor se ha codificado
correctamente no puede ser utilizado incorrectamente por un programa de aplicación que desee
usar el recurso. Cosa que no ocurre con los semáforos, donde el programador debe proporcionar
la correcta secuencia de operaciones espera y señal para no bloquear al sistema.
Los monitores no proporcionan por si mismos un mecanismo para la sincronización de tareas y
por ello su construcción debe completarse permitiendo, por ejemplo, que se puedan usar señales
para sincronizar los procesos. Así, para impedir que se pueda producir un bloqueo, un proceso
que gane el acceso a un procedimiento del monitor y necesite esperar a una señal, se suspende y
se coloca fuera del monitor para permitir que entre otro proceso.
Una variable que se utilice como mecanismo de sincronización en un monitor se conoce como
variable de condición. A cada causa diferente por la que un proceso deba esperar se asocia una
variable de condición. Sobre ellas sólo se puede actuar con dos procedimientos: espera y señal.
En este caso, cuando un proceso ejecuta una operación de espera se suspende y se coloca en
una cola asociada a dicha variable de condición. La diferencia con el semáforo radica en
que ahora la ejecución de esta operación siempre suspende el proceso que la emite. La
suspensión del proceso hace que se libere la posesión del monitor, lo que permite que entre otro
proceso. Cuando un proceso ejecuta una operación de señal se libera un proceso suspendido en la
cola de la variable de condición utilizada. Si no hay ningún proceso suspendido en la cola de la
variable de condición invocada la operación señal no tiene ningún efecto.
Mensajes
Los mensajes proporcionan una solución al problema de la concurrencia de procesos que integra
la sincronización y la comunicación entre ellos y resulta adecuado tanto para sistemas
centralizados como distribuidos. Esto hace que se incluyan en prácticamente todos los
sistemas operativos modernos y que en muchos de ellos se utilicen como base para todas las
comunicaciones del sistema, tanto dentro del computador como en la comunicación entre
computadores.
La comunicación mediante mensajes necesita siempre de un proceso emisor y de uno receptor
así como de información que intercambiarse. Por ello, las operaciones básicas para
comunicación mediante mensajes que proporciona todo sistema operativo son: enviar
(mensaje) y recibir (mensaje). Las acciones de transmisión de información y de sincronización
se ven como actividades inseparables.
La comunicación por mensajes requiere que se establezca un enlace entre el receptor y el
emisor, la forma del cual puede variar grandemente de sistema a sistema. Aspectos
importantes a tener en cuenta en los enlaces son: como y cuantos enlaces se pueden establecer
entre los procesos, la capacidad de mensajes del enlace y tipo de los mensajes.
Su implementación varía dependiendo de tres aspectos:
Ø El modo de nombrar los procesos.
Ø El modelo de sincronización.
Ø Almacenamiento y estructura del mensaje.
ANALISIS DE CONCEPTOS MEDIANTE LOS EJEMPLOS CLASICOS DE LOS
PROCESOS CONCURRENTES
El problema de la cena de los filósofos
En 1965 dijsktra planteo y resolvió un problema de sincronización llamado el problema de la
cena de los filósofos, desde entonces todas las personas que idean cierta primitiva de
sincronización, intentan demostrar lo maravilloso de la nueva primitiva al resolver este problema.
Se enuncia de la siguiente manera:
“5 filósofos se sientan en la mesa, cada uno tiene un plato de spaghetti, el spaghetti es tan
escurridizo que un filósofo necesita dos tenedores para comerlo, entre cada dos platos hay un
tenedor. La vida de un filosofo, consta de periodos alternados de comer y pensar, cuando un
filosofo tiene hambre, intenta obtener un tenedor para su mano izquierda y otro para su mano
derecha, alzando uno a la vez y en cualquier orden, si logra obtener los dos tenedores, come un
rato y después deja los tenedores y continua pensando, la pregunta clave es: ¿puede usted
escribir un programa, para cada filosofo que lleve a cabo lo que se supone debería y que nunca
se detenga?, la solución obvia para este problema es que el procedimiento espere hasta que el
tenedor especificado este disponible y se toman . Por desgracia esta solución es incorrecta.
Supongamos que los 5 filósofos toman sus tenedores izquierdos en forma simultánea. Ninguno
de ellos podría tomar su tenedor derecho con lo que ocurriría un bloqueo”[7].
Una situación como esta, en la que todos los programas se mantendrían por tiempo indefinido,
pero sin hacer progresos se llama inanición
Decimos que una hebra esta aplazada indefinidamente si se retraza esperando un evento que
puede no ocurrir nunca. La asignación de los recursos sobre una base de primero en entrar –
primero en salir es una solución sencilla que elimina el desplazamiento indefinido.
Análogo al desplazamiento indefinido es el concepto de injusticia en este caso no se realiza
ningún intento para asegurarse de que las hebras que tienen el mismo status hacen el mismo
progreso en la adquisición de recursos, o sea, no toda acciones son igualmente probable.
Problema de los lectores y escritores:
Este problema modela el acceso a una base de datos. Imaginemos una enorme base de datos,
como por ejemplo un sistema de reservaciones en una línea aérea con muchos procesos en
competencia que intentan leer y escribir en ella.
Se puede aceptar que varios procesos lean la base de datos al mismo tiempo, pero si uno de los
procesos esta escribiendo la base de datos, ninguno de los demás procesos debería tener acceso a
esta, ni siquiera los lectores .La pregunta es: ¿Cómo programaría usted los lectores y escritores?.
Una posible solución es que el primer lector que obtiene el acceso, lleva a cabo un down
En el semáforo dv. Los siguientes lectores solo incrementan un contador. Al salir los
lectores estos decrementan el contador y el ultimo en salir hace un up en el semáforo, lo cual
permite entrar a un escritor bloqueado si es que existe. Una hipótesis implícita en esta solución
es que los lectores tienen prioridad entre los escritores, si surge un escritor mientras varios
lectores se encuentran en la base de datos, el escritor debe esperar.
Pero si aparecen nuevos lectores, de forma que exista al menos un lector en la base de datos, el
escritor deberá esperar hasta que no haya más lectores.
Este problema genero muchos puntos de vista tanto así que courtois
una solución que da prioridad a los escritores.
etal
también presento
El problema del barbero dormilón:
Otro de los problemas clásicos de este paradigma ocurre en una peluquería, la peluquería tiene
un barbero, una silla de peluquero y n sillas para que se sienten los clientes en espera, si no hay
clientes presentes el barbero se sienta y se duerme. Cuando llega un cliente, este debe despertar
al barbero dormilón. Si llegan mas clientes mientras el barbero corta el cabello de un cliente,
ellos se sientan (si hay sillas desocupadas), o en todo caso, salen de la peluquería. El problema
consiste en programar al barbero y los clientes sin entrar en condiciones de competencia. Una
solución seria: cuando el barbero abre su negocio por la mañana ejecuta el procedimiento
barber, lo que establece un bloqueo en el semáforo “customers”, hasta que alguien llega,
después se va a dormir. Cuando llega el primer cliente el ejecuta “customer”. Si otro cliente
llega poco tiempo después, el segundo no podrá hacer nada. Luego verifica entonces si el
número de clientes que esperan es menor que el número de sillas, si esto no ocurre, sale sin su
corte de pelo. Si existe una silla disponible, el cliente incrementa una variable contadora. Luego
realiza un up en el semáforo “customer” con lo que despierta al barbero. En este momento
tanto el cliente como el barbero están despiertos, luego cuando le toca su turno al cliente le
cortan el pelo[7].
El problema del productor-consumidor.
Estudiaremos problemas en la comunicación, supongamos dos tipos de procesos:
Productores y
Consumidores.
Productores: Procesos que crean elementos de datos mediante un procedimiento interno
(Produce), estos datos deben ser enviados a los consumidores.
Consumidores: Procesos que reciben los elementos de datos creados por los productores, y que
actúan en consecuencia mediante un procedimiento interno (Consume). Ejemplos: Impresoras,
teclados, etc.
Problema: El productor envía un dato cada vez, y el consumidor consume un dato cada vez. Si
uno de los dos procesos no está listo, el otro debe esperar.
Solución: Es necesario introducir un buffer en el proceso de transmisión de datos
El buffer puede ser infinito. No obstante esto no es realista
Alternativa: Buffer acotado en cola circular
Algoritmo de funcionamiento del buffer acotado
Problemas:
Ø El productor puede enviar un dato a un buffer lleno
Ø El consumidor puede extraer un dato de un buffer vacío
ES NECESARIO PREVENIR ESTAS SITUACIONES ANÓMALAS: Algoritmo de
funcionamiento del buffer acotado
¿Cómo saber si el buffer está vacío o lleno?
Ø Una condición será un semáforo inicializado a un cierto valor.
Ø Necesitamos dos condiciones: lleno y vacío.
Ø Para añadir un dato al buffer, es necesario comprobar (wait) la condición lleno. SI se efectúa
la operación con éxito se realiza un signal sobre la condición vacío.
Ø Para eliminar un dato del buffer, es necesario comprobar (wait) la condición vacío. SI se
efectúa la operación con éxito se realiza un signal sobre la condición lleno.
CARACTERISTICAS DE LOS PROCESOS CONCURRENTES:
Interacción entre procesos: Los programas concurrentes implican interacción, entre los distintos
procesos que los componen:
Ø Los procesos que compartan recursos y compiten por el acceso a los mismos.
Ø Los procesos que se comunican entre sí para intercambiar datos.
En ambas situaciones se necesitan que los procesos sincronicen su ejecución, para evitar
conflictos o establecer contacto para el intercambio de datos .Esto se logra mediante variables
compartidas o bien mediante el paso de mensajes.
Indeterminismo: las acciones que se especifican en un programa secuencial, tienen un orden
total, pero en un programa concurrente el orden es parcial, ya que existe una incertidumbre sobre
el orden exacto de concurrencia de ciertos sucesos. De esta forma si se ejecuta un programa
concurrente varias veces, puede producir resultados diferentes partiendo de los mismos datos.
Gestión de recursos: los recursos compartidos necesitan una gestión especial. Un proceso que
desea utilizar un recurso compartido debe solicitar dicho recurso, esperar a adquirirlo, utilizarlo
y después liberarlo. Si el proceso solicita el recurso, pero no puede adquirirlo, en ese momento,
es suspendido hasta que el recurso esta disponible.
La gestión de recursos compartidos es problemática y se debe realizar de tal forma que se
eviten situaciones de retrazo indefinido o de bloqueo indefinido.
Comunicación: la comunicación entre procesos puede ser sincrona, cuando los procesos
necesitan sincronizarse para intercambiar los datos, o asíncrona cuando un proceso que
suministra los datos no necesita esperar a que el proceso receptor lo recoja, ya que los deja en
un buffer de comunicación temporal.
Violación de la exclusión mutua: en ocasiones ciertas acciones que se realizan en un programa
concurrente, no proporcionan los resultados deseados .Esto se debe a que existe una parte del
programa donde se realizan dichas acciones que constituye una región critica, es decir, es una
parte de un programa en la que se debe garantizar que si un proceso accede a la misma, ningún
otro podrá acceder.
Bloqueo mutuo: un proceso se encuentra en estado de bloqueo mutuo si esta esperando por
un suceso que no ocurrirá nunca. Se puede producir en la comunicación de procesos y en la
gestión de recursos. Se basan en las siguientes condiciones:
Ø Los procesos necesitan acceso exclusivo a los recursos.
Ø Los procesos necesitan mantener ciertos recursos exclusivos y otros en espera.
Ø Los recursos no se pueden obtener de los procesos que están a la espera.
PROGRAMACION EN JAVA
Hebras de java:
Una hebra puede estar en uno de estos cinco estados: creada, ejecutable, en ejecución,
bloqueada o finalizada. Una hebra puede hacer transiciones de un estado a otro, ignorando en
buena parte la transición del estado ejecutable al de la ejecución debido a que esto lo manipula el
equipo virtual de java subyacente. En java como ocurre con todos los demás, una hebra es
una clase por tanto la manera más sencilla de crear una hebra es crear una clase que herede de la
clase thread:
public class mytrhead extends thread
{
public mythread()
{
…………..
..…………
}
}
Y hacer una operación new para crear una instancia de una thread: Thread thread = new mythread
();
Para hacer que una hebra creada sea ejecutable, llamamos sencillamente a su método start:
thread.start ( );
Después de algún coste adicional, la hebra recientemente ejecutable transfiere el control a su
método run cada clase que amplia la clase thread debe proporcionar su propio método thread,
pero no facilita un método start, basándose en el método start facilitado por la clase thread,
normalmente el método run de una hebra contiene un bucle, ya que la salida de el método run
finaliza la hebra. Por ejemplo en una animación grafica el método run movería
repetidamente los objetos gráficos, repintaría la pantalla y después se dormiría (para ralentizar
la animación), por tanto una animación grafica normal podría ser:
public void run{
while ( true ){
movedObjects( );
repaint( );
try { thread:sleep(50);
} catch (InterruptedException exc){}
}
}
Observemos que el método sleep, lanza potencialmente
captarse en una instrucción try- catch .
un InterruptedExeption, que debe
La llamada al método sleep mueve la hebra del estado en ejecución a un estado bloqueado,
donde espera una interrupción del temporalizador de intervalo. La acción de dormir se
realiza con frecuencia en las aplicaciones visuales, para evitar que la visualización se produzca
demasiado rápido.
Un modo de conseguir un estado de finalizada, es hacer que la hebra salga de su método run, lo
que después de un retrazo para la limpieza finalizaría la hebra, también se puede finalizar una
hebra, llamando su método stock. Sin embargo, por razones complicadas, esto resulto ser
problemático y en Java se desprecio el método stop de la clase thread. Una manera más sencilla
de conseguir el mismo objetivo es considerar un booleano que el método run de la hebra utiliza
para continuar el bucle por ejemplo:
Public void run( ){ While (continue ){
moveObjects( );
repaint( );
try{ thread.sleep(50);
}catch (InterruptedExecption exc){}
}
}
Para detener la hebra anterior, otra hebra llama a un método para establecer el valor de la
variable de instancia continue en false. Esta variable no se considera compartida y podemos
ignorar cualquier posible conexión de carrera de manera segura ya que como muchos provocara
una interaccion extra del bucle.
A veces no es conveniente hacer sus clases de la clase thread , por ejemplo, podemos querer que
nuestra clase applet sea una hebra separada. En estos casos, una clase solo tiene que implementar
la interfaz runnabl; es decir implementar un método run, el esquema es de este tipo de clase es :
public class myclass extends someClass implements Runnable{
…….
Public void run( ){…..}
}
hacemos una hebra con una instancia de myclass utilizando:
myclass obj = new myclass;
thread thread = new thread ( obj );
thread.start( );
Aquí vemos de nuevo una instancia en la que la utilización de interfaces de Java obvia la
necesidad de herencia múltiple. La figura muestra los estados de una hebra de Java y las
transiciones entre ellos:
SINCRONIZACIÓN EN JAVA:
Básicamente, Java implementa el concepto de monitor de una manera bastante rigurosa asociando
un bloqueo con cada objeto. Para implementar una variable compartida, creamos una clase de
variable compartida e indicamos cada método (excepto el constructor) como sincronizado:
Public class sharedVariable…{
Public sharedVariable(…){….}
Public synchronized… method (…){…} Public synchronized… method (…){…}
…
}
para compartir una variable tenemos que crear una instancia de la clase y hacerla accesible para
las hebras separadas . una manera de llevar estoa cabo seria pasar al objeto compartido, como
parámetro del constructor de cada hebra. En el caso de una variable compartida de productorconsumidor, esto podría quedar así:
Shared Variable shared= new SharedVariable ( ); Thread producer = new Producer (shared);
Thread consumer = new (shared);
Donde damos por supuesto que tanto producerAndConsumer amplían switch.
PROGRAMACIÓN PARALELA
La programación paralela es una técnica de programación basada en la ejecución simultánea,
bien sea en un mismo ordenador (con uno o varios procesadores) o en un cluster de ordenadores,
en cuyo caso se denomina computación distribuida. Al contrario que en la programación
concurrente, esta técnica enfatiza la verdadera simultaneidad en el tiempo de la ejecución de las
tareas.
Los sistemas multiprocesador o multicomputador consiguen un aumento del rendimiento si
se utilizan estas técnicas. En los sistemas monoprocesador el beneficio en rendimiento no
es tan evidente, ya que la CPU es compartida por múltiples procesos en el tiempo, lo que se
denomina multiplexación.
El mayor problema de la computación paralela radica en la complejidad de sincronizar unas
tareas con otras, ya sea mediante secciones críticas, semáforos o paso de mensajes, para
garantizar la exclusión mutua en las zonas del código en las que sea necesario.
Es el uso de varios procesadores trabajando juntos para resolver una tarea común, cada
procesador trabaja una porción del problema pudiendo los procesos intercambiar datos a través
de la memoria o por una red de interconexión.
Un programa paralelo es un programa concurrente en el que hay más de un contexto de
ejecución, o hebra, activo simultáneamente. Cabe recalcar que desde un punto de vista
semántica no hay diferencia entre un programa concurrente y uno paralelo[3].
Necesidad de la programación paralela
Ø Resolver problemas que no caben en una CPU.
Ø Resolver problemas que no se resuelven en un tiempo razonable.
Ø Se puede ejecutar :
O Problemas mayores.
O Problemas mas rápidamente.
Ø El rendimiento de los computadores secuenciales esta comenzando a saturarse, una posible
solución seria usar varios procesadores, sistemas paralelos, con la tecnología VLSI(Very Large
Scale Integration), el costo de los procesadores es menor.
Ø Decrementa la complejidad de un algoritmo al usar varios procesadores.
Aspectos en la programación paralela
Ø Diseño de computadores paralelos teniendo en cuenta la escalabilidad y comunicaciones.
Ø Diseño de algoritmos eficientes, no hay ganancia si los algoritmos no se diseñan
adecuadamente.
Ø Métodos para evaluar los algoritmos paralelos: ¿Cuán rápido se puede resolver un problema
usando una máquina paralela?,¿Con que eficiencia se usan esos procesadores?.
Ø En lenguajes para computadores paralelos deben ser flexibles para permitir una
implementación eficiente y fácil de programar.
Ø Los programas paralelos deben ser portables y los compiladores paralelizantes.
Modelos de computadoras
Ø Modelo SISD
1. Simple instrucción, simple Data.
2. Consiste en un procesador que recibe un cierto flujo de instrucciones y de datos.
3. Un algoritmo para esta clase dice ser secuencial o serial.
Ø Modelo MISD
4. Multiple Instruction, simpledata.
5. Existencia de N procesadores con un simple flujo de datos ejecutando instrucciones
diferentes en cada procesador.
Ø Modelo SIMD
6. Simple Instruction, múltiple Data.
7. Existen JN procesadores ejecutando la misma instrucción sobre los mismos o diferentes
datos.
8. Existencia de datos compartidos.
Ø Modelo MIMD
9. Multiple Instruction, multiple data.
10. Existen N procesadores ejecutando instrucciones diferentes sobre los mismos o
diferentes datos.
11. Existencia de datos compartidos.
CONCLUSIONES:
Ø Un programa paralelo es un programa concurrente en el que hay más de un contexto
de ejecución, o hebra, activo simultáneamente.
Ø Las aplicaciones de la concurrencia se centra principalmente en los sistemas operativos.
Ø Se ha propuesto varias primitivas de la comunicación entre procesos(Semáforos, monitores,
etc) pero todas son equivalentes en el sentido de que cada una se puede utilizar para
implementar a las demás.
Ø La programación paralela ayuda a disminuir la complejidad computacional de los
algoritmos.
Ø La programación paralela nos ayuda a resolver problemas más complejos.
ANEXOS COMPLEMENTARIO
Aplicaciones de las hebras
Algunos programas presentan una estructura que puede hacerles especialmente adecuados
para entornos multihilo. Normalmente estos casos involucran operaciones que pueden ser
solapadas. La utilización de múltiples hilos, puede conseguir un grado de paralelismo
que incremente el rendimiento de un programa, e incluso hacer más fácil la escritura de su
código.
Algunos ejemplos son:
Ø Utilización de los hilos para expresar algoritmos inherentemente paralelos. Se pueden
obtener aumentos de rendimiento debido al hecho de que los hilos funcionan muy bien en
sistemas multiprocesadores. Los hilos permiten expresar el paralelismo de alto nivel a través
de un lenguaje de programación.
Ø Utilización de los hilos para solapar operaciones de E/S lentas con otras operaciones en un
programa. Esto permite obtener un aumento del rendimiento, permitiendo bloquear a un
simple hilo que espera a que se complete una operación de E/S, mientras otros hilos del
proceso continúan su ejecución, evitando el bloqueo entero del proceso.
Ø Utilización de los hilos para solapar llamadas RPC salientes. Se obtiene una ganancia en el
rendimiento permitiendo que un cliente pueda acceder a varios servidores al mismo tiempo
en lugar de acceder a un servidor cada vez. Esto puede ser interesante para servidores
especializados en los que los clientes pueden dividir una llamada RPC compleja en varias
llamadas RPC concurrentes y más simples.
Ø Utilización de los hilos en interfaces de usuario. Se pueden obtener aumentos de
rendimiento empleando un hilo para interactuar con un usuario, mientras se pasan las
peticiones a otros hilos para su ejecución.
Ø Utilización de los hilos en servidores. Los servidores pueden utilizar las ventajas del
multihilo, creando un hilo gestor diferente para cada petición entrante de un cliente.
Ø Utilización de los hilos en procesos pipeline: Se puede implementar cada etapa de una
tubería o pipeline mediante un hilo separado dentro del mismo proceso.
Ø Utilización de los hilos en el diseño de un kernel multihilo de sistema operativo distribuido
que distribuya diferentes tareas entre los hilos.
Ø Utilización de los hilos para explotar la potencia de los multiprocesadores de memori
a compartida (sistemas fuertemente acoplados).
Ø Utilización de los hilos como soporte de aplicaciones de tiempo real acelerando los
tiempos de respuesta para los eventos asíncronos a través de la gestión de señales.
Algunas de estas técnicas pueden ser implementadas usando múltiples procesos. Los
hilos son sin embargo más interesantes como solución porque:
Ø Los procesos tienen un alto coste de creación.
Ø Los procesos requieren más memoria.
Ø Los procesos tienen un alto coste de sincronización.
Ø Compartir memoria entre procesos es más complicado, aunque compartir memoria
entre hilos tiene sus problemas.
Los hilos se crearon para permitir combinar el paralelismo con la ejecución secuencial y el
bloqueo de llamadas al sistema.
Las llamadas al sistema con bloqueo facilitan la programación, y el paralelismo
obtenido mejora el rendimiento.
Hilos y Multihilo
Considerando el entorno multithread (multihilo), cada thread (hilo, flujo de control del
programa) representa un proceso individual ejecutándose en un sistema. A veces se les
llama procesos ligeros o contextos de ejecución. Típicamente, cada hilo controla un único
aspecto dentro de un programa, como puede ser supervisar la entrada en un determinado
periférico o controlar toda la entrada/salida del disco. Todos los hilos comparten los
mismos recursos, al contrario que los procesos, en donde cada uno tiene su propia copia de
código y datos (separados unos de otros). Gráficamente, los hilos (threads) se parecen en
su funcionamiento a lo que muestra la figura siguiente:
Hay que distinguir multihilo (multithread) de multiproceso. El multiproceso se refiere a
dos programas que se ejecutan "aparentemente" a la vez, bajo el control del Sistema
Operativo. Los programas no necesitan tener relación unos con otros, simplemente el
hecho de que el usuario desee que se ejecuten a la vez.
Multihilo se refiere a que dos o más tareas se ejecutan "aparentemente" a la vez, dentro de
un mismo programa.
Se usa "aparentemente" en ambos casos, porque normalmente las plataformas tienen una
sola CPU, con lo cual, los procesos se ejecutan en realidad "concurrentemente", sino que
comparten la CPU. En plataformas con varias CPU, sí es posible que los procesos se
ejecuten realmente a la vez.
Tanto en el multiproceso como en el multihilo (multitarea), el Sistema Operativo se
encarga de que se genere la ilusión de que todo se ejecuta a la vez. Sin embargo, la
multitarea puede producir programas que realicen más trabajo en la misma cantidad de
tiempo que el multiproceso, debido a que la CPU está compartida entre tareas de un mismo
proceso. Además, como el multiproceso está implementado a nivel de sistema operativo, el
programador no puede intervenir en el planteamiento de su ejecución; mientras que en el
caso del multihilo, como el programa debe ser diseñado expresamente para que pueda
soportar esta característica, es imprescindible que el autor tenga que planificar
adecuadamente la ejecución de cada hilo, o tarea.
Actualmente hay diferencias en la especificación del intérprete de Java, porque el
intérprete de Windows '95 conmuta los hilos de igual prioridad mediante un algoritmo
circular (round-robin), mientras que el de Solaris 2.X deja que un hilo ocupe la CPU
indefinidamente, lo que implica la inanición de los demás.
Programas de flujo único
Un programa de flujo único o mono-hilvanado (single-thread) utiliza un único flujo de
control (thread) para controlar su ejecución. Muchos programas no necesitan la potencia o
utilidad de múltiples flujos de control. Sin necesidad de especificar explícitamente que se
quiere un único flujo de control, muchos de los applets y aplicaciones son de flujo único.
Por ejemplo, en la archiconocida aplicación estándar de saludo:
public class HolaMundo {
static public void main( String args[] ) {
System.out.println( "Hola Mundo!" );
}
}
Aquí, cuando se llama a main(), la aplicación imprime el mensaje y termina. Esto ocurre
dentro de un único hilo de ejecución (thread).
Debido a que la mayor parte de los entornos operativos no solían ofrecer un soporte
razonable para múltiples hilos de control, los lenguajes de programación tradicionales,
tales como C++, no incorporaron mecanismos para describir de manera elegante
situaciones de este tipo. La sincronización entre las múltiples partes de un programa se
llevaba a cabo mediante un bucle de suceso único. Estos entornos son de tipo síncrono,
gestionados por sucesos. Entornos tales como el de Macintosh de Apple, Windows de
Microsoft y X11/Motif fueron diseñados en torno al modelo de bucle de suceso.
Programas de flujo múltiple
En la aplicación de saludo, no se ve el hilo de ejecución que corre el programa. Sin
embargo, Java posibilita la creación y control de hilos de ejecución explícitamente. La
utilización de hilos (threads) en Java, permite una enorme flexibilidad a los programadores
a la hora de plantearse el desarrollo de aplicaciones. La simplicidad para crear, configurar
y ejecutar hilos de ejecución, permite que se puedan implementar muy poderosas y
portables aplicaciones/applets que no se puede con otros lenguajes de tercera generación.
En un lenguaje orientado a Internet como es Java, esta herramienta es vital.
Si se ha utilizado un navegador con soporte Java, ya se habrá visto el uso de múltiples hilos
en Java. Habrá observado que dos applets se pueden ejecutar al mismo tiempo, o que
puede desplazar la página del navegador mientras el applet continúa ejecutándose. Esto no
significa que el applet utilice múltiples hiloss, sino que el navegador es multihilo,
multihilvanado o multithreaded.
Los navegadores utilizan diferentes hilos ejecutándose en paralelo para realizar varias
tareas, "aparentemente" concurrentemente.
Por ejemplo, en muchas páginas web, se puede desplazar la página e ir leyendo el texto
antes de que todas las imágenes estén presentes en la pantalla. En este caso, el navegador
está trayéndose las imágenes en un hilo de ejecución y soportando el desplazamiento de la
página en otro hilo diferente.
Las aplicaciones (y applets) multihilo utilizan muchos contextos de ejecución para cumplir
su trabajo. Hacen uso del hecho de que muchas tareas contienen subtareas distintas e
independientes. Se puede utilizar un hilo de ejecución para cada subtarea.
Mientras que los programas de flujo único pueden realizar su tarea ejecutando las subtareas
secuencialmente, un programa multihilo permite que cada thread comience y termine tan
pronto como sea posible. Este comportamiento presenta una mejor respuesta a la entrada
en tiempo real.
Vamos a modificar el programa de saludo creando tres hilos de ejecución individuales, que
imprimen cada uno de ellos su propio mensaje de saludo, MultiHola.java:
// Definimos unos sencillos hilos. Se detendrán un rato
// antes de imprimir sus nombres y retardos
class TestTh extends Thread {
private String nombre;
private int retardo;
// Constructor para almacenar nuestro nombre
// y el retardo
public TestTh( String s,int d ) {
nombre = s;
retardo = d;
}
// El metodo run() es similar al main(), pero para
// threads. Cuando run() termina el thread muere
public void run() {
// Retasamos la ejecución el tiempo especificado
try {
sleep( retardo );
} catch( InterruptedException e ) {
;
}
// Ahora imprimimos el nombre
System.out.println( "Hola Mundo! "+nombre+" "+retardo );
}
}
public class MultiHola {
public static void main( String args[] ) {
TestTh t1,t2,t3;
// Creamos los threads
t1 = new TestTh( "Thread 1",(int)(Math.random()*2000) );
t2 = new TestTh( "Thread 2",(int)(Math.random()*2000) );
t3 = new TestTh( "Thread 3",(int)(Math.random()*2000) );
// Arrancamos los threads
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
Creación y Control de Hilos
Antes de entrar en más profundidades en los hilos de ejecución, se propone una referencia
rápida de la clase Thread.
La clase Thread
Es la clase que encapsula todo el control necesario sobre los hilos de ejecución (threads).
Hay que distinguir claramente un objeto Thread de un hilo de ejecución o thread. Esta
distinción resulta complicada, aunque se puede simplificar si se considera al objeto Thread
como el panel de control de un hilo de ejecución (thread). La clase Thread es la única
forma de controlar el comportamiento de los hilos y para ello se sirve de los métodos que
se exponen en las secciones siguientes.
Métodos de Clase
Estos son los métodos estáticos que deben llamarse de manera directa en la clase Thread.
currentThread()
Este método devuelve el objeto thread que representa al hilo de ejecución que se está
ejecutando actualmente.
yield()
Este método hace que el intérprete cambie de contexto entre el hilo actual y el siguiente
hilo ejecutable disponible. Es una manera de asegurar que nos hilos de menor prioridad no
sufran inanición.
sleep( long )
El método sleep() provoca que el intérprete ponga al hilo en curso a dormir durante el
número de milisegundos que se indiquen en el parámetro de invocación. Una vez
transcurridos esos milisegundos, dicho hilo volverá a estar disponible para su ejecución.
Los relojes asociados a la mayor parte de los intérpretes de Java no serán capaces de
obtener precisiones mayores de 10 milisegundos, por mucho que se permita indicar hasta
nanosegundos en la llamada alternativa a este método.
Métodos de Instancia
Aquí no están recogidos todos los métodos de la clase Thread, sino solamente los más
interesantes, porque los demás corresponden a áreas en donde el estándar de Java no está
completo, y puede que se queden obsoletos en la próxima versión del JDK, por ello, si se
desea completar la información que aquí se expone se ha de recurrir a la documentación
del interfaz de programación de aplicación (API) del JDK.
start()
Este método indica al intérprete de Java que cree un contexto del hilo del sistema y
comience a ejecutarlo. A continuación, el método run() de este hilo será invocado en el
nuevo contexto del hilo. Hay que tener precaución de no llamar al método start() más de
una vez sobre un hilo determinado.
run()
El método run() constituye el cuerpo de un hilo en ejecución. Este es el único método del
interfaz Runnable. Es llamado por el método start() después de que el hilo apropiado del
sistema se haya inicializado. Siempre que el método run() devuelva el control, el hilo
actual se detendrá.
stop()
Este método provoca que el hilo se detenga de manera inmediata. A menudo constituye
una manera brusca de detener un hilo, especialmente si este método se ejecuta sobre el hilo
en curso. En tal caso, la línea inmediatamente posterior a la llamada al método stop() no
llega a ejecutarse jamás, pues el contexto del hilo muere antes de que stop() devuelva el
control. Una forma más elegante de detener un hilo es utilizar alguna variable que ocasione
que el método run() termine de manera ordenada. En realidad, nunca se debería recurrir al
uso de este método.
suspend()
El método suspend() es distinto de stop(). suspend() toma el hilo y provoca que se detenga
su ejecución sin destruir el hilo de sistema subyacente, ni el estado del hilo anteriormente
en ejecución. Si la ejecución de un hilo se suspende, puede llamarse a resume() sobre el
mismo hilo para lograr que vuelva a ejecutarse de nuevo.
resume()
El método resume() se utiliza para revivir un hilo suspendido. No hay garantías de que el
hilo comience a ejecutarse inmediatamente, ya que puede haber un hilo de mayor prioridad
en ejecución actualmente, pero resume() ocasiona que el hilo vuelva a ser un candidato a
ser ejecutado.
setPriority( int )
El método setPriority() asigna al hilo la prioridad indicada por el valor pasado como
parámetro.
Hay bastantes constantes predefinidas para la prioridad, definidas en la clase Thread, tales
como MIN_PRIORITY, NORM_PRIORITY y MAX_PRIORITY, que toman los valores
1, 5 y 10, respectivamente. Como guía aproximada de utilización, se puede establecer que
la mayor parte de los procesos a nivel de usuario deberían tomar una prioridad en torno a
NORM_PRIORITY. Las tareas en segundo plano, como una entrada/salida a red o el
nuevo dibujo de la pantalla, deberían tener una prioridad cercana a MIN_PRIORITY. Con
las tareas a las que se fije la máxima prioridad, en torno a MAX_PRIORITY, hay que ser
especialmente cuidadosos, porque si no se hacen llamadas a sleep() o yield(), se puede
provocar que el intérprete Java quede totalmente fuera de control.
getPriority()
Este método devuelve la prioridad del hilo de ejecución en curso, que es un valor
comprendido entre uno y diez.
setName( String )
Este método permite identificar al hilo con un nombre menmónico. De esta manera se
facilita la depuración de programas multihilo. El nombre mnemónico aparecerá en todas
las líneas de trazado que se muestran cada vez que el intérprete Java imprime excepciones
no capturadas.
getName()
Este método devuelve el valor actual, de tipo cadena, asignado como nombre al hilo en
ejecución mediante setName().
Creación de un Thread
Hay dos modos de conseguir hilos de ejecución (threads) en Java. Una es implementando
el interfaz Runnable, la otra es extender la clase Thread.
La implementación del interfaz Runnable es la forma habitual de crear hilos. Los
interfaces proporcionan al programador una forma de agrupar el trabajo de infraestructura
de una clase. Se utilizan para diseñar los requerimientos comunes al conjunto de clases a
implementar. El interfaz define el trabajo y la clase, o clases, que implementan el interfaz
para realizar ese trabajo. Los diferentes grupos de clases que implementen el interfaz
tendrán que seguir las mismas reglas de funcionamiento.
Hay unas cuantas diferencias entre interfaz y clase, que ya son conocidas y aquí solamente
se resumen. Primero, un interfaz solamente puede contener métodos abstractos y/o
variables estáticas y finales (constantes). Las clases, por otro lado, pueden implementar
métodos y contener variables que no sean constantes. Segundo, un interfaz no puede
implementar cualquier método. Una clase que implemente un interfaz debe implementar
todos los métodos definidos en ese interfaz.
Un interfaz tiene la posibilidad de poder extenderse de otros interfaces y, al contrario que
las clases, puede extenderse de múltiples interfaces.
Además, un interfaz no puede ser instanciado con el operador new; por ejemplo, la
siguiente sentencia no está permitida:
Runnable a = new Runnable(); // No se permite
El primer método de crear un hilo de ejecución es simplemente extender la clase Thread:
class MiThread extends Thread {
public void run() {
...
}
El ejemplo anterior crea una nueva clase MiThread que extiende la clase Thread y
sobreescribe el método Thread.run() por su propia implementación. El método run() es
donde se realizará todo el trabajo de la clase. Extendiendo la clase Thread, se pueden
heredar los métodos y variables de la clase padre. En este caso, solamente se puede
extender o derivar una vez de la clase padre. Esta limitación de Java puede ser superada a
través de la implementación de Runnable:
public class MiThread implements Runnable {
Thread t;
public void run() {
// Ejecución del thread una vez creado
}
}
En este caso necesitamos crear una instancia de Thread antes de que el sistema pueda
ejecutar el proceso como un hilo. Además, el método abstracto run() está definido en el
interfaz Runnable y tiene que ser implementado. La única diferencia entre los dos
métodos es que este último es mucho más flexible. En el ejemplo anterior, todavía está la
oportunidad de extender la clase MiThread, si fuese necesario. La mayoría de las clases
creadas que necesiten ejecutarse como un hilo, implementarán el interfaz Runnable, ya
que probablemente extenderán alguna de su funcionalidad a otras clases. No pensar que el
interfaz Runnable está haciendo alguna cosa cuando la tarea se está ejecutando. Solamente
contiene métodos abstractos, con lo cual es una clase para dar idea sobre el diseño de la
clase Thread. De hecho, si se observan los fuentes de Java, se puede comprobar que
solamente contiene un método abstracto:
package java.lang;
public interface Runnable {
public abstract void run() ;
}
Y esto es todo lo que hay sobre el interfaz Runnable. Como se ve, un interfaz sólo
proporciona un diseño para las clases que vayan a ser implementadas.
En el caso de Runnable, fuerza a la definición del método run(), por lo tanto, la mayor
parte del trabajo se hace en la clase Thread. Un vistazo un poco más profundo a la
definición de la clase Thread da idea de lo que realmente está pasando:
public class Thread implements Runnable {
...
public void run() {
if( tarea != null )
tarea.run() ;
}
}
...
}
De este trocito de código se desprende que la clase Thread también implemente el interfaz
Runnable. tarea.run() se asegura de que la clase con que trabaja (la clase que va a
ejecutarse como un hilo) no sea nula y ejecuta el método run() de esa clase. Cuando esto
suceda, el método run() de la clase hará que corra como un hilo.
A continuación se presenta un ejemplo, java1001.java, que implementa el interfaz
Runnable para crear un programa multihilo.
class java1001 {
static public void main( String args[] ) {
// Se instancian dos nuevos objetos Thread
Thread hiloA = new Thread( new MiHilo(),"hiloA" );
Thread hiloB = new Thread( new MiHilo(),"hiloB" );
// Se arrancan los dos hilos, para que comiencen su ejecución
hiloA.start();
hiloB.start();
// Aquí se retrasa la ejecución un segundo y se captura la
// posible excepción que genera el método, aunque no se hace
// nada en el caso de que se produzca
try {
Thread.currentThread().sleep( 1000 );
}catch( InterruptedException e ){}
// Presenta información acerca del Thread o hilo principal
// del programa
System.out.println( Thread.currentThread() );
// Se detiene la ejecución de los dos hilos
hiloA.stop();
hiloB.stop();
}
}
class NoHaceNada {
// Esta clase existe solamente para que sea heredada por la clase
// MiHilo, para evitar que esta clase sea capaz de heredar la clase
// Thread, y se pueda implementar el interfaz Runnable en su
// lugar
}
class MiHilo extends NoHaceNada implements Runnable {
public void run() {
// Presenta en pantalla información sobre este hilo en particular
System.out.println( Thread.currentThread() );
}
}
Como se puede observar, el programa define una clase MiHilo que extiende a la clase
NoHaceNada e implementa el interfaz Runnable. Se redefine el método run() en la clase
MiHilo para presentar información sobre el hilo.
La única razón de extender la clase NoHaceNada es proporcionar un ejemplo de situación
en que haya que extender alguna otra clase, además de implementar el interfaz.
En el ejemplo java1002.java muestra el mismo programa básicamente, pero en este caso
extendiendo la clase Thread, en lugar de implementar el interfaz Runnable para crear el
programa multihilo.
class java1002 {
static public void main( String args[] ) {
// Se instancian dos nuevos objetos Thread
Thread hiloA = new Thread( new MiHilo(),"hiloA" );
Thread hiloB = new Thread( new MiHilo(),"hiloB" );
// Se arrancan los dos hilos, para que comiencen su ejecución
hiloA.start();
hiloB.start();
// Aquí se retrasa la ejecución un segundo y se captura la
// posible excepción que genera el método, aunque no se hace
// nada en el caso de que se produzca
try {
Thread.currentThread().sleep( 1000 );
}catch( InterruptedException e ){}
// Presenta información acerca del Thread o hilo principal
// del programa
System.out.println( Thread.currentThread() );
// Se detiene la ejecución de los dos hilos
hiloA.stop();
hiloB.stop();
}
}
class MiHilo extends Thread {
public void run() {
// Presenta en pantalla información sobre este hilo en particular
System.out.println( Thread.currentThread() );
}
}
En ese caso, la nueva clase MiHilo extiende la clase Thread y no implementa el interfaz
Runnable directamente (la clase Thread implementa el interfaz Runnable, por lo que
indirectamente MiHilo también está implementando ese interfaz). El resto del programa es
similar al anterior.
Y todavía se puede presentar un ejemplo más simple, utilizando un constructor de la clase
Thread que no necesita parámetros, tal como se presenta en el ejemplo java1003.java. En
los ejemplos anteriores, el constructor utilizado para Thread necesitaba dos parámetros, el
primero un objeto de cualquier clase que implemente el interfaz Runnable y el segundo
una cadena que indica el nombre del hilo (este nombre es independiente del nombre de la
variable que referencia al objeto Thread).
class java1003 {
static public void main( String args[] ) {
// Se instancian dos nuevos objetos Thread
Thread hiloA = new MiHilo();
Thread hiloB = new MiHilo();
// Se arrancan los dos hilos, para que comiencen su ejecución
hiloA.start();
hiloB.start();
// Aquí se retrasa la ejecución un segundo y se captura la
// posible excepción que genera el método, aunque no se hace
// nada en el caso de que se produzca
try {
Thread.currentThread().sleep( 1000 );
}catch( InterruptedException e ){}
// Presenta información acerca del Thread o hilo principal
// del programa
System.out.println( Thread.currentThread() );
// Se detiene la ejecución de los dos hilos
hiloA.stop();
hiloB.stop();
}
}
class MiHilo extends Thread {
public void run() {
// Presenta en pantalla información sobre este hilo en particular
System.out.println( Thread.currentThread() );
}
}
Las sentencias en este ejemplo para instanciar objetos Thread, son mucho menos
complejas, siendo el programa, en esencia, el mismo de los ejemplos anteriores.
Arranque de un Thread
Las aplicaciones ejecutan main() tras arrancar. Esta es la razón de que main() sea el lugar
natural para crear y arrancar otros hilos. La línea de código:
t1 = new TestTh( "Thread 1",(int)(Math.random()*2000) );
crea un nuevo hilo de ejecución. Los dos argumentos pasados representan el nombre del
hilo y el tiempo que se desea que espere antes de imprimir el mensaje.
Al tener control directo sobre los hilos, hay que arrancarlos explícitamente. En el ejemplo
con:
t1.start();
start(), en realidad es un método oculto en el hilo de ejecución que llama a run().
Manipulación de un Thread
Si todo fue bien en la creación del hilo, t1 debería contener un thread válido, que
controlaremos en el método run(). Una vez dentro de run(), se pueden comenzar las
sentencias de ejecución como en otros programas. run() sirve como rutina main() para los
hilos; cuando run() termina, también lo hace el hilo. Todo lo que se quiera que haga el hilo
de ejecución ha de estar dentro de run(), por eso cuando se dice que un método es
Runnable, es obligatorio escribir un método run().
En este ejemplo, se intenta inmediatamente esperar durante una cantidad de tiempo
aleatoria (pasada a través del constructor):
sleep( retardo );
El método sleep() simplemente le dice al hilo de ejecución que duerma durante los
milisegundos especificados. Se debería utilizar sleep() cuando se pretenda retrasar la
ejecución del hilo. sleep() no consume recursos del sistema mientras el hilo duerme. De
esta forma otros hilos pueden seguir funcionando. Una vez hecho el retardo, se imprime el
mensaje "Hola Mundo!" con el nombre del hilo y el retardo.
Suspensión de un Thread
Puede resultar útil suspender la ejecución de un hilo sin marcar un límite de tiempo. Si, por
ejemplo, está construyendo un applet con un hilo de animación, seguramente se querrá
permitir al usuario la opción de detener la animación hasta que quiera continuar.
No se trata de terminar la animación, sino desactivarla. Para este tipo de control de los
hilos de ejecución se puede utilizar el método suspend().
t1.suspend();
Este método no detiene la ejecución permanentemente. El hilo es suspendido
indefinidamente y para volver a activarlo de nuevo se necesita realizar una invocación al
método resume():
t1.resume();
Parada de un Thread
El último elemento de control que se necesita sobre los hilos de ejecución es el método
stop(). Se utiliza para terminar la ejecución de un hilo:
t1.stop();
Esta llamada no destruye el hilo, sino que detiene su ejecución. La ejecución no se puede
reanudar ya con t1.start(). Cuando se desasignen las variables que se usan en el hilo, el
objeto Thread (creado con new) quedará marcado para eliminarlo y el garbage collector se
encargará de liberar la memoria que utilizaba.
En el ejemplo, no se necesita detener explícitamente el hilo de ejecución. Simplemente se
le deja terminar. Los programas más complejos necesitarán un control sobre cada uno de
los hilos que lancen, el método stop() puede utilizarse en esas situaciones.
Si se necesita, se puede comprobar si un hilo está vivo o no; considerando vivo un hilo que
ha comenzado y no ha sido detenido.
t1.isAlive();
Este método devolverá true en caso de que el hilo t1 esté vivo, es decir, ya se haya llamado
a su método run() y no haya sido parado con un stop() ni haya terminado el método run()
en su ejecución.
En el ejemplo no hay problemas de realizar una parada incondicional, al estar todos los
hilos vivos. Pero si a un hilo de ejecución, que puede no estar vivo, se le invoca su método
stop(), se generará una excepción. En este caso, en los que el estado del hilo no puede
conocerse de antemano es donde se requiere el uso del método isAlive().
Grupos de Hilos
Todo hilo de ejecución en Java debe formar parte de un grupo. La clase ThreadGroup
define e implementa la capacidad de un grupo de hilos.
Los grupos de hilos permiten que sea posible recoger varios hilos de ejecución en un solo
objeto y manipularlo como un grupo, en vez de individualmente. Por ejemplo, se pueden
regenerar los hilos de un grupo mediante una sola sentencia.
Cuando se crea un nuevo hilo, se coloca en un grupo, bien indicándolo explícitamente, o
bien dejando que el sistema lo coloque en el grupo por defecto. Una vez creado el hilo y
asignado a un grupo, ya no se podrá cambiar a otro grupo.
Si no se especifica un grupo en el constructor, el sistema coloca el hilo en el mismo grupo
en que se encuentre el hilo de ejecución que lo haya creado, y si no se especifica en grupo
para ninguno de los hilos, entonces todos serán miembros del grupo "main", que es creado
por el sistema cuando arranca la aplicación Java.
En la ejecución de los ejemplos de esta sección, se ha podido observar la circunstancia
anterior. Por ejemplo, el resultado en pantalla de uno de esos ejemplos es el que se
reproduce a continuación:
% java java1002
Thread[hiloA,5,main]
Thread[hiloB,5,main]
Thread[main,5,main]
Como resultado de la ejecución de sentencias del tipo:
System.out.println( Thread.currentThread() );
Para presentar la información sobre el hilo de ejecución. Se puede observar que aparece el
nombre del hilo, su prioridad y el nombre del grupo en que se encuentra englobado.
La clase Thread proporciona constructores en los que se puede especificar el grupo del
hilo que se esta creando en el mismo momento de instanciarlo, y también métodos como
setThreadGroup(), que permiten determinar el grupo en que se encuentra un hilo de
ejecución.
Arrancar y Parar Threads
Ahora que ya se ha visto por encima como se arrancan, paran, manipulan y agrupan los
hilos de ejecución, el ejemplo un poco más gráfico, java1004.java, implementa un
contador.
El programa arranca un contador en 0 y lo incrementa, presentando su salida tanto en la
pantalla gráfica como en la consola. Una primera ojeada al código puede dar la impresión
de que el programa empezará a contar y presentará cada número, pero no es así. Una
revisión más profunda del flujo de ejecución del applet, revelará su verdadera identidad.
En este caso, la clase java1004 está forzada a implementar Runnable sobre la clase Applet
que extiende. Como en todos los applets, el método init() es el primero que se ejecuta. En
init(), la variable contador se inicializa a cero y se crea una nueva instancia de la clase
Thread. Pasándole this al constructor de Thread, el nuevo hilo ya conocerá al objeto que
va a correr. En este caso this es una referencia a java1004.
Después de que se haya creado el hilo, necesitamos arrancarlo. La llamada a start(),
llamará a su vez al método run() de la clase, es decir, a java1004.run(). La llamada a
start() retornará con éxito y el hilo comenzará a ejecutarse en ese instante. Observar que el
método run() es un bucle infinito. Es infinito porque una vez que se sale de él, la ejecución
del hilo se detiene. En este método se incrementará la variable contador, se duerme 10
milisegundos y envía una petición de refresco del nuevo valor al applet.
Es muy importante dormirse en algún lugar del hilo, porque sino, el hilo consumirá todo el
tiempo de la CPU para su proceso y no permitirá que entren métodos de otros hilos a
ejecutarse. Otra forma de detener la ejecución del hilo sería hacer una llamada al método
stop(). En el contador, el hilo se detiene cuando se pulsa el ratón mientras el cursor se
encuentre sobre el applet.
Dependiendo de la velocidad del ordenador, se presentarán los números consecutivos o no,
porque el incremento de la variable contador es independiente del refresco en pantalla. El
applet no se refresca a cada petición que se le hace, sino que el sistema operativo encolará
las peticiones y las que sean sucesivas las convertirá en un único refresco. Así, mientras los
refrescos se van encolando, la variable contador se estará todavía incrementando, pero no
se visualiza en pantalla.
El uso y la conveniencia de utilización del método stop() es un poco dudoso y algo que
quizá debería evitarse, porque puede haber objetos que dependan de la ejecución de varios
hilos, y si se detiene uno de ellos, puede que el objeto en cuestión estuviese en un estado
no demasiado consistente, y si se le mata el hilo de control puede que definitivamente ese
objeto se dañe. Una solución alternativa es el uso de una variable de control que permita
saber si el hilo se encuentra en ejecución o no, por ello, en el ejemplo se utiliza la variable
miThread que controla cuando el hilo está en ejecución o parado.
La clase anidada ProcesoRaton es la que se encarga de implementar un objeto receptor de
los eventos de ratón, para detectar cuando el usuario pulsa alguno de los botones sobre la
zona de influencia del applet.
Suspender y Reanudar Threads
Una vez que se para un hilo de ejecución, ya no se puede rearrancar con el comando
start(), debido a que stop() concluirá la ejecución del hilo. Por ello, en ver de parar el hilo,
lo que se puede hacer es dormirlo, llamando al método sleep(). El hilo estará suspendido
un cierto tiempo y luego reanudará su ejecución cuando el límite fijado se alcance. Pero
esto no es útil cuando se necesite que el hilo reanude su ejecución ante la presencia de
ciertos eventos. En estos casos, el método suspend() permite que cese la ejecución del hilo
y el método resume() permite que un método suspendido reanude su ejecución.
En la versión modificada del ejemplo anterior, java1005.java, se modifica el applet para
que utilice los métodos suspend() y resume():
El uso de suspend() es crítico en ocasiones, sobre todo cuando el hilo que se va a suspender
está utilizando recursos del sistema, porque en el momento de la suspensión los va a
bloquear, y esos recursos seguirán bloqueados hasta que no se reanude la ejecución del hilo
con resume(). Por ello, deben utilizarse métodos alternativos a estos, por ejemplo,
implementando el uso de variables de control que vigiles periódicamente el estado en que
se encuentra el hilo actual y obren el consecuencia.
public class java1005 extends Applet implements Runnable {
...
class ProcesoRaton extends MouseAdapter {
boolean suspendido;
public void mousePressed( MouseEvent evt ) {
if( suspendido )
t.resume();
else
t.suspend();
suspendido = !suspendido;
}
}
...
Para controlar el estado del applet, se ha modificado el funcionamiento del objeto Listener
que recibe los eventos del ratón, en donde se ha introducido la variable suspendido.
Diferenciar los distintos estados de ejecución del applet es importante porque algunos
métodos pueden generar excepciones si se llaman desde un estado erróneo. Por ejemplo, si
el applet ha sido arrancado y se detiene con stop(), si se intenta ejecutar el método start(),
se generará una excepción IllegalThreadStateException.
Aquí podemos poner de nuevo en cuarentena la idoneidad del uso de estos métodos para el
control del estado del hilo de ejecución, tanto por lo comentado del posible bloqueo de
recursos vitales del sistema, como porque se puede generar un punto muerto en el sistema
si el hilo de ejecución que va a intentar revivir el hilo suspendido necesita del recurso
bloqueado. Por ello, es más seguro el uso de una variable de control como suspendido, de
tal forma que sea ella quien controle el estado del hilo y utilizar el método notify() para
indicar cuando el hilo vuelve a la vida.
Estados de un Hilo de Ejecución
Durante el ciclo de vida de un hilo, éste se puede encontrar en diferentes estados. La figura
siguiente muestra estos estados y los métodos que provocan el paso de un estado a otro.
Este diagrama no es una máquina de estados finita, pero es lo que más se aproxima al
funcionamiento real de un hilo.
Nuevo Thread
La siguiente sentencia crea un nuevo hilo de ejecución pero no lo arranca, lo deja en el
estado de Nuevo Thread:
Thread MiThread = new MiClaseThread();
Thread MiThread = new Thread( new UnaClaseThread,"hiloA" );
Cuando un hilo está en este estado, es simplemente un objeto Thread vacío. El sistema no
ha destinado ningún recurso para él. Desde este estado solamente puede arrancarse
llamando al método start(), o detenerse definitivamente, llamando al método stop(); la
llamada a cualquier otro método carece de sentido y lo único que provocará será la
generación de una excepción de tipo IllegalThreadStateException.
Ejecutable
Ahora obsérvense las dos líneas de código que se presentan a continuación:
Thread MiThread = new MiClaseThread();
MiThread.start();
La llamada al método start() creará los recursos del sistema necesarios para que el hilo
puede ejecutarse, lo incorpora a la lista de procesos disponibles para ejecución del sistema
y llama al método run() del hilo de ejecución. En este momento se encuentra en el estado
Ejecutable del diagrama. Y este estado es Ejecutable y no En Ejecución, porque cuando el
hilo está aquí no esta corriendo.
Muchos ordenadores tienen solamente un procesador lo que hace imposible que todos los
hilos estén corriendo al mismo tiempo. Java implementa un tipo de scheduling o lista de
procesos, que permite que el procesador sea compartido entre todos los procesos o hilos
que se encuentran en la lista. Sin embargo, para el propósito que aquí se persigue, y en la
mayoría de los casos, se puede considerar que este estado es realmente un estado En
Ejecución, porque la impresión que produce ante el usuario es que todos los procesos se
ejecutan al mismo tiempo.
Cuando el hilo se encuentra en este estado, todas las instrucciones de código que se
encuentren dentro del bloque declarado para el método run(), se ejecutarán
secuencialmente.
Parado
El hilo de ejecución entra en estado Parado cuando alguien llama al método suspend(),
cuando se llama al método sleep(), cuando el hilo está bloqueado en un proceso de
entrada/salida o cuando el hilo utiliza su método wait() para esperar a que se cumpla una
determinada condición. Cuando ocurra cualquiera de las cuatro cosas anteriores, el hilo
estará Parado.
Por ejemplo, en el trozo de código siguiente:
Thread MiThread = new MiClaseThread();
MiThread.start();
try {
MiThread.sleep( 10000 );
} catch( InterruptedException e ) {
;
}
la línea de código que llama al método sleep():
MiThread.sleep( 10000 );
hace que el hilo se duerma durante 10 segundos. Durante ese tiempo, incluso aunque el
procesador estuviese totalmente libre, MiThread no correría. Después de esos 10 segundos.
MiThread volvería a estar en estado Ejecutable y ahora sí que el procesador podría hacerle
caso cuando se encuentre disponible.
Para cada una de los cuatro modos de entrada en estado Parado, hay una forma específica
de volver a estado Ejecutable. Cada forma de recuperar ese estado es exclusiva; por
ejemplo, si el hilo ha sido puesto a dormir, una vez transcurridos los milisegundos que se
especifiquen, él solo se despierta y vuelve a estar en estado Ejecutable. Llamar al método
resume() mientras esté el hilo durmiendo no serviría para nada.
Los métodos de recuperación del estado Ejecutable, en función de la forma de llegar al
estado Parado del hilo, son los siguientes:
 Si
un hilo está dormido, pasado el lapso de tiempo
 Si
un hilo de ejecución está suspendido, después de una llamada a su método resume()
 Si
un hilo está bloqueado en una entrada/salida, una vez que el comando de entrada/salida
concluya su ejecución
 Si
un hilo está esperando por una condición, cada vez que la variable que controla esa
condición varíe debe llamarse al método notify() o notifyAll()
Muerto
Un hilo de ejecución se puede morir de dos formas: por causas naturales o porque lo maten
(con stop()). Un hilo muere normalmente cuando concluye de forma habitual su método
run(). Por ejemplo, en el siguiente trozo de código, el bucle while es un bucle finito realiza la iteración 20 veces y termina-:
public void run() {
int i=0;
while( i < 20 ) {
i++;
System.out.println( "i = "+i );
}
}
Un hilo que contenga a este método run(), morirá naturalmente después de que se complete
el bucle y run() concluya.
También se puede matar en cualquier momento un hilo, invocando a su método stop(). En
el trozo de código siguiente:
Thread MiThread = new MiClaseThread();
MiThread.start();
try {
MiThread.sleep( 10000 );
} catch( InterruptedException e ) {
;
}
MiThread.stop();
se crea y arranca el hilo MiThread, se duerme durante 10 segundos y en el momento de
despertarse, la llamada a su método stop(), lo mata.
El método stop() envía un objeto ThreadDeath al hilo de ejecución que quiere detener. Así,
cuando un hilo es parado de este modo, muere asíncronamente. El hilo morirá en el
momento en que reciba ese objeto ThreadDeath.
Los applets utilizarán el método stop() para matar a todos sus hilos cuando el navegador
con soporte Java en el que se están ejecutando le indica al applet que se detengan, por
ejemplo, cuando se minimiza la ventana del navegador o cuando se cambia de página.
El método isAlive()
El interfaz de programación de la clase Thread incluye el método isAlive(), que devuelve
true si el hilo ha sido arrancado (con start()) y no ha sido detenido (con stop()). Por ello, si
el método isAlive() devuelve false, sabemos que estamos ante un Nuevo Thread o ante un
thread Muerto. Si devuelve true, se sabe que el hilo se encuentra en estado Ejecutable o
Parado. No se puede diferenciar entre Nuevo Thread y Muerto, ni entre un hilo Ejecutable
o Parado.
Scheduling
Java tiene un Scheduler, una lista de procesos, que monitoriza todos los hilos que se están
ejecutando en todos los programas y decide cuales deben ejecutarse y cuales deben
encontrarse preparados para su ejecución. Hay dos características de los hilos que el
scheduler identifica en este proceso de decisión. Una, la más importante, es la prioridad del
hilo de ejecución; la otra, es el indicador de demonio. La regla básica del scheduler es que
si solamente hay hilos demonio ejecutándose, la Máquina Virtual Java (JVM) concluirá.
Los nuevos hilos heredan la prioridad y el indicador de demonio de los hilos de ejecución
que los han creado. El scheduler determina qué hilos deberán ejecutarse comprobando la
prioridad de todos ellos, aquellos con prioridad más alta dispondrán del procesador antes
de los que tienen prioridad más baja.
El scheduler puede seguir dos patrones, preemptivo y no-preemptivo. Los schedulers
preemtivos proporcionan un segmento de tiempo a todos los hilos que están corriendo en el
sistema. El scheduler decide cual será el siguiente hilo a ejecutarse y llama al método
resume() para darle vida durante un período fijo de tiempo. Cuando el hilo ha estado en
ejecución ese período de tiempo, se llama a suspend() y el siguiente hilo de ejecución en la
lista de procesos será relanzado (resume()). Los schedulers no-preemtivos deciden que hilo
debe correr y lo ejecutan hasta que concluye. El hilo tiene control total sobre el sistema
mientras esté en ejecución. El método yield() es la forma en que un hilo fuerza al scheduler
a comenzar la ejecución de otro hilo que esté esperando. Dependiendo del sistema en que
esté corriendo Java, el scheduler será de un tipo u otro, preemtivo o no-preemptivo.
Prioridades
El scheduler determina el hilo que debe ejecutarse en función de la prioridad asignada a
cada uno de ellos. El rango de prioridades oscila entre 1 y 10. La prioridad por defecto de
un hilo de ejecución es NORM_PRIORITY, que tiene asignado un valor de 5. Hay otras
dos variables estáticas disponibles, que son MIN_PRORITY, fijada a 1, y
MAX_PRIORITY, que tiene un valor de 10. El método getPriority() puede utilizarse para
conocer el valor actual de la prioridad de un hilo.
Hilos Demonio
Los hilos de ejecución demonio también se llaman servicios, porque se ejecutan,
normalmente, con prioridad baja y proporcionan un servicio básico a un programa o
programas cuando la actividad de la máquina es reducida.
Los hilos demonio son útiles cuando un hilo debe ejecutarse en segundo plano durante
largos períodos de tiempo.Un ejemplo de hilo demonio que está ejecutándose
continuamente es el recolector de basura (garbage collector).
Este hilo, proporcionado por la Máquina Virtual Java, comprueba las variables de los
programas a las que no se accede nunca y libera estos recursos, devolviéndolos al sistema.
Un hilo puede fijar su indicador de demonio pasando un valor true al método setDaemon().
Si se pasa false a este método, el hilo de ejecución será devuelto por el sistema como un
hilo de usuario. No obstante, esto último debe realizarse antes de que se arranque el hilo de
ejecución (start()). Si se quiere saber si un hilo es un hilo demonio, se utilizará el método
isDaemon().
Diferencia entre hilos y fork()
fork() en Unix crea un proceso hijo que tiene su propia copia de datos y código del padre.
Esto funciona correctamente si no hay problemas de cantidad de memoria de la máquina y
se dispone de una CPU poderosa, y siempre que se mantenga el número de procesos hijos
dentro de un límite manejable, porque se hace un uso intensivo de los recursos del sistema.
Los applets Java no pueden lanzar ningún proceso en el cliente, porque eso sería una
fuente de inseguridad y no está permitido. Las aplicaciones y los applets deben utilizar
hilos de ejecución.
La multitarea pre-emptiva tiene sus problemas. Un hilo puede interrumpir a otro en
cualquier momento, de ahí lo de pre-emptive. Fácilmente puede el lector imaginarse lo que
pasaría si un hilo de ejecución está escribiendo en un array, mientras otro hilo lo
interrumpe y comienza a escribir en el mismo array. Los lenguajes como C y C++
necesitan de las funciones lock() y unlock() para antes y después de leer o escribir datos.
Java también funciona de este modo, pero oculta el bloqueo de datos bajo la sentencia
synchronized:
synchronized int MiMetodo();
Otro área en que los hilos son muy útiles es en los interfaces de usuario. Permiten
incrementar la respuesta del ordenador ante el usuario cuando se encuentra realizando
complicados cálculos y no puede atender a la entrada de usuario. Estos cálculos se pueden
realizar en segundo plano, o realizar varios en primer plano (música y animaciones) sin
que se dé apariencia de pérdida de rendimiento.
Ejemplo de animación
Este es un ejemplo de un applet, java1006.java, que crea un hilo de animación que nos
presenta el globo terráqueo en rotación. Aquí se puede ver que el applet crea un hilo de
ejecución de sí mismo, concurrencia. Además, animacion.start() llama al start() del hilo,
no del applet, que automáticamente llamará a run():
import java.awt.*;
import java.applet.Applet;
public class java1006 extends Applet implements Runnable {
Image imagenes[];
MediaTracker tracker;
int indice = 0;
Thread animacion;
int maxAncho,maxAlto;
Image offScrImage; // Componente off-screen para doble buffering
Graphics offScrGC;
// Nos indicará si ya se puede pintar
boolean cargado = false;
// Inicializamos el applet, establecemos su tamaño y
// cargamos las imágenes
public void init() {
// Establecemos el supervisor de imágenes
tracker = new MediaTracker( this );
// Fijamos el tamaño del applet
maxAncho = 100;
maxAlto = 100;
imagenes = new Image[33];
// Establecemos el doble buffer y dimensionamos el applet
try {
offScrImage = createImage( maxAncho,maxAlto );
offScrGC = offScrImage.getGraphics();
offScrGC.setColor( Color.lightGray );
offScrGC.fillRect( 0,0,maxAncho,maxAlto );
resize( maxAncho,maxAlto );
} catch( Exception e ) {
e.printStackTrace();
}
// Cargamos las imágenes en un array
for( int i=0; i < 33; i++ )
{
String fichero =
new String( "Tierra"+String.valueOf(i+1)+".gif" );
imagenes[i] = getImage( getDocumentBase(),fichero );
// Registramos las imágenes con el tracker
tracker.addImage( imagenes[i],i );
}
try {
// Utilizamos el tracker para comprobar que todas las
// imágenes están cargadas
tracker.waitForAll();
} catch( InterruptedException e ) {
;
}
cargado = true;
}
// Pintamos el fotograma que corresponda
public void paint( Graphics g ) {
if( cargado )
g.drawImage( offScrImage,0,0,this );
}
// Arrancamos y establecemos la primera imagen
public void start() {
if( tracker.checkID( indice ) )
offScrGC.drawImage( imagenes[indice],0,0,this );
animacion = new Thread( this );
animacion.start();
}
// Aquí hacemos el trabajo de animación
// Muestra una imagen, para, muestra la siguiente...
public void run() {
// Obtiene el identificador del thread
Thread thActual = Thread.currentThread();
// Nos aseguramos de que se ejecuta cuando estamos en un
// thread y además es el actual
while( animacion != null && animacion == thActual )
{
if( tracker.checkID( indice ) )
{
// Obtenemos la siguiente imagen
offScrGC.drawImage( imagenes[indice],0,0,this );
indice++;
// Volvemos al principio y seguimos, para el bucle
if( indice >= imagenes.length )
indice = 0;
}
// Ralentizamos la animación para que parezca normal
try {
animacion.sleep( 200 );
} catch( InterruptedException e ) {
;
}
// Pintamos el siguiente fotograma
repaint();
}
}
}
En el ejemplo se pueden observar más cosas. La variable thActual es propia de cada hilo
que se lance, y la variable animación la estarán viendo todos los hilos. No hay duplicidad
de procesos, sino que todos comparten las mismas variables; cada hilo de ejecución, sin
embargo, tiene su pila local de variables, que no comparte con nadie y que son las que
están declaradas dentro de las llaves del método run().
La excepción InterruptedExcepcion salta en el caso en que se haya tenido al hilo parado
más tiempo del debido.
Es imprescindible recoger esta excepción cuando se están implementando hilos de
ejecución, tanto es así, que en el caso de no recogerla, el compilador generará un error.
Comunicación entre Hilos
Otra clave para el éxito y la ventaja de la utilización de múltiples hilos de ejecución en una
aplicación, o aplicación multithreaded, es que pueden comunicarse entre sí. Se pueden
diseñar hilos para utilizar objetos comunes, que cada hilo puede manipular
independientemente de los otros hilos de ejecución.
El ejemplo clásico de comunicación de hilos de ejecución es un modelo
productor/consumidor. Un hilo produce una salida, que otro hilo usa (consume), sea lo que
sea esa salida.
Entonces se crea un productor, que será un hilo que irá sacando caracteres por su salida; y
se crea también un consumidor que irá recogiendo los caracteres que vaya sacando el
productor y un monitor que controlará el proceso de sincronización entre los hilos de
ejecución. Funcionará como una tubería, insertando el productor caracteres en un extremo
y leyéndolos el consumidor en el otro, con el monitor siendo la propia tubería.
Productor
El productor extenderá la clase Thread, y su código es el siguiente:
class Productor extends Thread {
private Tuberia tuberia;
private String alfabeto = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";
public Productor( Tuberia t ) {
// Mantiene una copia propia del objeto compartido
tuberia = t;
}
public void run() {
char c;
// Mete 10 letras en la tubería
for( int i=0; i < 10; i++ )
{
c = alfabeto.charAt( (int)(Math.random()*26 ) );
tuberia.lanzar( c );
// Imprime un registro con lo añadido
System.out.println( "Lanzado "+c+" a la tuberia." );
// Espera un poco antes de añadir más letras
try {
sleep( (int)(Math.random() * 100 ) );
} catch( InterruptedException e ) {;}
}
}
}
Notar que se crea una instancia de la clase Tuberia, y que se utiliza el método
tuberia.lanzar() para que se vaya construyendo la tubería, en principio de 10 caracteres.
Consumidor
Ahora se reproduce el código del consumidor, que también extenderá la clase Thread:
class Consumidor extends Thread {
private Tuberia tuberia;
public Consumidor( Tuberia t ) {
// Mantiene una copia propia del objeto compartido
tuberia = t;
}
public void run() {
char c;
// Consume 10 letras de la tubería
for( int i=0; i < 10; i++ )
{
c = tuberia.recoger();
// Imprime las letras retiradas
System.out.println( "Recogido el caracter "+c );
// Espera un poco antes de coger más letras
try {
sleep( (int)(Math.random() * 2000 ) );
} catch( InterruptedException e ) {;}
}
}
}
En este caso, como en el del productor, se cuenta con un método en la clase Tuberia,
tuberia.recoger(), para manejar la información.
Monitor
Una vez vistos el productor de la información y el consumidor, solamente queda por ver
qué es lo que hace la clase Tuberia.
Lo que realiza la clase Tuberia, es una función de supervisión de las transacciones entre
los dos hilos de ejecución, el productor y el consumidor. Los monitores, en general, son
piezas muy importantes de las aplicaciones multihilo, porque mantienen el flujo de
comunicación entre los hilos.
class Tuberia {
private char buffer[] = new char[6];
private int siguiente = 0;
// Flags para saber el estado del buffer
private boolean estaLlena = false;
private boolean estaVacia = true;
// Método para retirar letras del buffer
public synchronized char recoger() {
// No se puede consumir si el buffer está vacío
while( estaVacia == true )
{
try {
wait(); // Se sale cuando estaVacia cambia a false
} catch( InterruptedException e ) {
;
}
}
// Decrementa la cuenta, ya que va a consumir una letra
siguiente--;
// Comprueba si se retiró la última letra
if( siguiente == 0 )
estaVacia = true;
// El buffer no puede estar lleno, porque acabamos
// de consumir
estaLlena = false;
notify();
// Devuelve la letra al thread consumidor
return( buffer[siguiente] );
}
// Método para añadir letras al buffer
public synchronized void lanzar( char c ) {
// Espera hasta que haya sitio para otra letra
while( estaLlena == true )
{
try {
wait(); // Se sale cuando estaLlena cambia a false
} catch( InterruptedException e ) {
;
}
}
// Añade una letra en el primer lugar disponible
buffer[siguiente] = c;
// Cambia al siguiente lugar disponible
siguiente++;
// Comprueba si el buffer está lleno
if( siguiente == 6 )
estaLlena = true;
estaVacia = false;
notify();
}
}
En la clase Tuberia se pueden observar dos características importantes: los miembros dato
(buffer[]) son privados, y los métodos de acceso (lanzar() y recoger()) son sincronizados.
Aquí se observa que la variable estaVacia es un semáforo, como los de toda la vida. La
naturaleza privada de los datos evita que el productor y el consumidor accedan
directamente a éstos. Si se permitiese el acceso directo de ambos hilos de ejecución a los
datos, se podrían producir problemas; por ejemplo, si el consumidor intenta retirar datos de
un buffer vacío, obtendrá excepciones innecesarias, o se bloqueará el proceso.
Los métodos sincronizados de acceso impiden que los productores y consumidores
corrompan un objeto compartido. Mientras el productor está añadiendo una letra a la
tubería, el consumidor no la puede retirar y viceversa. Esta sincronización es vital para
mantener la integridad de cualquier objeto compartido.
No sería lo mismo sincronizar la clase en vez de los métodos, porque esto significaría que
nadie puede acceder a las variables de la clase en paralelo, mientras que al sincronizar los
métodos, sí pueden acceder a todas las variables que están fuera de los métodos que
pertenecen a la clase.
Se pueden sincronizar incluso variables, para realizar alguna acción determinada sobre
ellas, por ejemplo:
sincronized( p ) {
// aquí se colocaría el código
// los threads que estén intentando acceder a p se pararán
// y generarán una InterruptedException
}
El método notify() al final de cada método de acceso avisa a cualquier proceso que esté
esperando por el objeto, entonces el proceso que ha estado esperando intentará acceder de
nuevo al objeto. En el método wait() se hace que el hilo se quede a la espera de que le
llegue un notify(), ya sea enviado por el hilo de ejecución o por el sistema. Ahora que ya se
dispone de un productor, un consumidor y un objeto compartido, se necesita una aplicación
que arranque los hilos y que consiga que todos hablen con el mismo objeto que están
compartiendo. Esto es lo que hace el siguiente trozo de código, del fuente java1007.java:
class java1007 {
public static void main( String args[] ) {
Tuberia t = new Tuberia();
Productor p = new Productor( t );
Consumidor c = new Consumidor( t );
p.start();
c.start();
}
}
Compilando y ejecutando esta aplicación, se podrá observar en modelo que se ha diseñado
en pleno funcionamiento.